DE19625985A1 - Spülabwasserkreislaufverfahren für physikalisch-chemische Fest-Flüssig-Trennprozesse (Flockung- / Fällung, Flotation, Filtration) im Bereich der Trink- und Abwasseraufbereitung mit oxidativer Behandlung des Kreislaufwassers zur Minimierung der Abwasserfrachten - Google Patents

Description

Grundlagen

Das zur Patentanmeldung vorgesehene Verfahren dient zur Aufbereitung und Rückfüh­ rung von Dünnschlämmen und Filterrückspülwässern aus biologisch und mechanisch arbeitenden Wasseraufbereitungsprozessen (Bsp.: Denitrifikation) mit dem Ziel, die Menge an abzugebendem Abwasser zu minimieren.

Grundlage des Verfahrens sind mikrobiologisch arbeitende Wasseraufbereitungs­ prozesse, von denen stark DOC-belastete Abwasserströme in großen Mengenströmen kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich emittiert werden. Diese Abwasserströme sind Rückspülabwässer aus Filterspülprozessen und Dünnschlammfraktionen aus Floc­ kungs- und Fällungs- oder Flotationsanlagen. Nach Filtration oder Sedimentation die­ ser Abwässer sind die Klarphasen noch mit Inhaltsstoffen belastet, die nicht sedimen­ tations- oder filtrationsfähig sind und sich nicht an die Feststoffmatrix des geflockten Schlamms an lagern lassen. Die Spülabwasseraufbereitung muß unter der Zielsetzung erfolgen, daß diese im Spülabwasser enthaltenen, nicht sedimentierbaren und nicht über Filterpressen filtrierbaren Wasserinhaltsstoffe, im folgenden Störstoffe genannt, soweit umgewandelt werden, daß sie bei der Wiedereinleitung in den Rohwasserstrom nicht im System akkumuliert werden können.

Die Störstoffe sollen durch oxidative Umwandlungsprozesse, d. h. Ozonung, optional in Verbindung mit einer UV-Bestrahlung umgewandelt werden, so daß sie zu flockungs-/ flotationsfähigen und filtrierbaren Wasserinhaltsstoffen umgesetzt werden. Ist das die Störstoffe enthaltende Abwasser dieser Oxidation erfolgreich unterzogen worden, kann eine Rückführung vor die Stufe der Flockung/Fällung, Flotation bzw. Filtration erfolgen.

Verfahrensbeschreibung

Im Ablauf der biologischen Aufbereitungsstufe werden zur Abtrennung der im Über­ schuß angewachsenen Biomasse einstufige (Mehrschichtfilter), s. Fig. 1.1, oder zwei­ stufige Anlagen (Flockung/Fällung oder Flotation mit nachgeschaltetem Mehrschicht­ filter), s. Fig. 2.1, eingesetzt. Bei geringer Biomassenkonzentration sind einstufige Fil­ teranlagen ausreichend.

Die Filterrückspülwässer aus den Filteranlagen und die Dünnschlämme aus der Fest­ stoffabtrennung (Flotation oder Flockung/Fällung) - insgesamt ca. 2-5% der aufbe­ reiteten Wassermenge - werden in aller Regel in Absetzbecken eingeleitet. Das über­ stehende Klarwasser wird üblicherweise über die Schmutz- oder Regenwasserkanali­ sation entsorgt. Der abgesetzte Schlamm wird von Zeit zu Zeit abgesaugt und zu einer Kläranlage gefahren.

Sind die räumlichen und infrastrukturellen Bedingungen für eine Spülabwasserablei­ tung ungünstig oder gar nicht gegeben und werden die Abwassereinleitungsgebühren in Ansatz gebracht, so wird es wirtschaftlicher sein, die Abwasserströme wieder soweit aufzubereiten, daß eine Rückführung der von Fest- und Störstoffen befreiten Abwässer in den Wasseraufbereitungsprozeß möglich ist.

Bei fehlender oder für hohe Abwassermengen zu klein ausgeführter Kanalisation sind die folgenden Aufbereitungsschritte vorzunehmen:

• 1. Beschränkt sich das Trennverfahren für das feststoffhaltige Wasser auf eine einstu­ fige Filtrationsstufe, Fig. 1.1 und 1.2, so wird die Klarphase der Spülabwässer aus den Filterspülvorgängen nach dem Absetzen der Feststoffe vor die Stufe der Filtrati­ on zurückgeführt. Die sedimentierte Feststofffraktion kann mittels aufgabenspezifi­ scher Abzugseinrichtungen (Pumpen) transportiert und in einer Kammerfilterpresse weiter entwässert werden. Das Pressenfiltrat wird durch Ozonung behandelt und in das Spülabwasserauffangbecken eingeleitet. Der entwässerte Filterkuchen ist in je­ dem Falle aus dem Prozeß auszuschleusen und zu entsorgen oder zu verwerten.
• 2. Wird aufgrund sehr hoher Feststofffrachten ein zweistufiges Trennverfahren zur Feststoffabscheidung gewählt (Flockung/Fällung/Sedimentation oder Flotation mit nachgeschalteter Filtration) so ist folgende Verfahrensweise zu wählen, vgl. Fig. 2.1 und 2.2:
• Die Dünnschlämme aus der ersten Stufe (Flockung/Fällung oder Flotation) werden zwischengespeichert, durch Kalkzugabe stabilisiert und direkt einer Entwässerung mittels Kammerfilter- oder Strangpresse unterzogen. Der Filterkuchen ist wie im er­ sten Fall zu entsorgen, das Filtrat wird durch die Oxidationsanlage (Ozon/Ozon- UV) geleitet und vor der ersten Stufe der Feststoffabscheidung wieder in den Haupt­ strom zurückgeführt. Die aus der Filterstufe stammenden Rückspülabwässer werden in das Spülabwasserauffangbecken eingeleitet, dort mit dem ozonbehandelten Pres­ senfiltrat gemischt und vor die Stufe der Flockung/Fällung bzw. Flotation zurückge­ führt.

Verfahrensdetails Kontinuierlicher Betrieb als Voraussetzung der Spülabwasseraufbereitung

Um die Ozonanlage möglichst kontinuierlich betreiben zu können, ist das Pressenfiltrat in ein Ausgleichs-/Speicherbecken (Filtratvorlage) einzuleiten, aus dem das zu behan­ delnde Wasser mit kontinuierlicher Förderrate durch die Ozonanlage gefördert werden kann.

Schlammspeicherung und Vorkonditionierung

Die Dünnschlammfraktion aus der Sedimentation oder Flotation bzw. der abgesetzte Schlamm aus dem Eindicker bei ausschließlicher Filtration ist zunächst in einen Sta­ pelbehälter zu speichern und durch Zugabe von Kalkhydrat, Ca(OH)₂, zu stabilisieren.

Kalkhydrat kann als Kalkmilchsuspension oder als Kalkhydratpulver zugegeben und eingemischt werden. Die Kalkzugabe verbessert die Entwässerbarkeit und Lagerfähig­ keit des Schlamms. Soll pulverförmiges Kalkhydratpulver zur Anwendung kommen, ist zu beachten, daß der Schlamm während der Kalkhydratdosierung ständig gerührt wird, um Klumpenbildung zu vermeiden. Zur besseren Einmischung des Kalks in den Schlamm ist die Dosierung von Kalkmilch günstiger. Allerdings ist zur Kalkmilchher­ stellung eine aufwendige Ansetz-/Anrührstation erforderlich.

Ist der Stapelbehälter bis zum oberen Füllstandsniveau gefüllt, wird ein Signal ausge­ löst, welches veranlaßt, daß der konditionierte Schlamm zunächst mittels einer Nieder­ druckpumpe und bei Erreichen eines bestimmten Filtertuchwiderstandes mittels einer Hochdruckpumpe durch eine Kammerfilterpresse gefördert wird.

Apparatetechnik zur Ozonung

Die Ozonung erfolgt durch Injektorbegasung im Bypaßsfrom oder Hauptstrom unter Verwendung technischen Sauerstoffs oder von Druckluft. Das nicht im Wasser lösliche und desorbierte Abgas wird bei Verwendung von technischem Sauerstoff über eine Gastrocknungs- und Gasreinigungsanlage zur erneuten Ozonung zurückgewonnen.

Es gilt zu beachten, daß bei zusätzlicher Bestrahlung mit UV-Licht die chemischen Bindungen organischer Stoffe destabilisiert werden können. Werden die mit UV-Licht destabilisierten Bindungen mit Ozon behandelt, kann die einzusetzende Ozonmenge zur kompletten Zerstörung der chemischen Bindungen möglicherweise verringert wer­ den. Die UV-Bestrahlung kann demnach zu einer Verbesserung der Flockbarkeit orga­ nischer Verbindungen bei vermindertem Ozoneinsatz beitragen. Bei der Bemessung der Anlagenteile sollte das Erreichen des geforderten Aufbereitungszieles unter Mini­ mierung der einzusetzenden Ozonmengen maßgeblich sein.

Verfahrenstechnik der Pressenfiltratozonung

Das Pressenfiltrat wird mit der Pressenfiltratförderpumpe aus dem Ausgleichsbecken über die Ozonanlage bzw. Ozon-/UV-Anlage in den Spülabwasserauffangbehälter der Filteranlage gefördert. Der Pressenfiltratstrom kann komplett einer Ozonbegasung un­ terzogen werden. Möglich ist auch die Entnahme eines Pressenfiltrat-Teilstroms, der einer sog. Vorozonung unterzogen wird. Der dann mit Ozon übersättigte Teilstrom wird anschließend wieder in den Hauptstrom zurückgeführt.

Welche Verfahrensweise gewählt wird, die Ozoninjektion in den Gesamtstrom bzw. die Vorozonung eines Teilstroms, muß in Vorversuchen auf die bessere Wirksamkeit un­ tersucht werden.

Das mit Ozon angereicherte Wasser durchläuft bei beiden Varianten (Teil- und Ge­ samtstromozonung) ein Reaktions- und Entgasungssystem, das im wesentlichen aus einem Entgasungsbehälter besteht. In diesem System wird nicht gelöstes Ozon von der wäßrigen Phase getrennt und der Gasrückgewinnung zugeführt, vgl. Fig. 1.2 und 2.2.

Die Ozondosierung ist bei Dosierung in den Hauptstrom durchflußproportional zu re­ geln. Nach Ermittlung der organischen Belastung des Pressenfiltrats wird die einzu­ stellende Ozonkonzentration als Festwert vorgegeben und die zu dosierende Ozon­ menge als Funktion des Durchflusses verändert.

Bei Teilstromozonung kann die Ozonkonzentration über die Einstellung der im Teil­ strom geführten Wassermenge und den Systemdruck im Begasungssystem regelbar verändert werden.

Bei der Ausgasung des unverbrauchten Gases muß sicher und zuverlässig verhindert werden, daß es noch im Luftraum des Spülabwasserauffangbehälters zur Ausbildung humantoxischer Ozonkonzentrationen kommen kann. Der Spülabwasserauffangbehäl­ ter ist sicherheitshalber zu den Innenräumen abgedichtet auszuführen, so daß ein Luftaustausch nur ins Freie möglich ist.

Bei Einsatz von technischem Sauerstoff besteht das aus der Ausgasekammer entfernte Gas immer noch zu etwa 90% aus Sauerstoff. Der Rest besteht aus Ozon, flüchtigen Zerfallsprodukten aus der Ozonung, Feuchtigkeit und sonstigen aus dem Wasser aus­ gegasten Bestandteilen. Der hohe Sauerstoffgehalt im Abgas rechtfertigt dessen wirt­ schaftliche Wiederverwertung. Die Abgasaufbereitung erfolgt durch eine katalytische Restozonvernichtung bestehend aus Kondensatabtrennung, Aktivkohlefiltration und abschließender Gastrocknung.

Die optional vorzunehmende UV-Bestrahlung des Pressenfiltrats erfolgt in einer UV- Durchflußküvette, die im Falle der Erfordernis im Anschluß an den Reaktions- und Ausgasereaktor angebaut werden muß. Der Einsatz einer UV-Bestrahlung bedingt au­ tomatisch, daß das Ausgase- und Reaktionssystem und damit die UV-Küvette in den Hauptstrom verlegt wird.

Zeitlicher Ablauf einer Pressenfiltratbehandlung

Die Ozonung der Wasserinhaltsstoffe sollte nach folgendem zeitlichen Ablaufplan vor­ genommen werden, um einen kontinuierlichen und optimalen Betrieb eines Ozongene­ rators sicherstellen zu können:

• - Nach dem "Warmlaufen" des Ozongenerators (t_w ≅ 15 Minuten) wird die erste Pres­ sung des Frischschlamms vorbereitet.
• - Das Filtrat fließt in freiem Gefälle in die Filtratvorlage. Die Förderung des Pressen­ filtrats aus der Filtratvorlage wird gestartet, sobald in der Vorlage genug Filtrat vor­ handen ist, um dieses über den gesamten Filtrationsvorgang hinweg mit konstanter Förderrate über die Ozonanlage in den Spülabwasserauffangbehälter fördern zu können.
• - Eine Kammerfilterpresse kann nur diskontinuierlich betrieben werden. Um einen für die Ozonanlage kontinuierlichen Wasserstrom gewährleisten zu können, müßten entweder mindestens zwei Stück Kammerfilterpressen zeitversetzt betrieben oder z. B. der Filtratauffangbehälter so groß gewählt werden, daß während einer Filtertuch­ reinigung zwischen zwei Pressungen ein ausreichender Wasservorrat bereitgestellt werden kann. Bei der Einrichtung zweier Kammerfilterpressen A und B würde, bevor die Schlammpressung in Kammerfilterpresse A beendet ist, die Schlammpressung in Kammerfilterpresse B beginnen, so daß in den Filtratauffangbehälter immer soviel Wasser zufließt, daß das Filtrat mit konstanter Förderrate durch die Ozonungsanla­ ge gefördert wird.
• - Ist die Pressung in Kammerfilterpresse A beendet, kann unter Aufsicht des Perso­ nals die automatisierte oder manuelle Filtertuchreinigung durchgeführt werden. Nach beendeter Reinigung steht die Kammerfilterpresse A zur Durchführung einer erneuten Pressung zur Verfügung.

Die im Pressenfiltrat einzustellende Ozonanfangskonzentration, die im Bypass zu füh­ rende Wassermenge und die Erfordernis und Dauer der optionalen UV-Bestrahlung müssen im praktischen Versuch ermittelt werden. Bei der Auslegung der Ozonanlage ist darauf zu achten, daß die Dosiermengen und die Reaktionsverweilzeiten so ausge­ wählt werden, daß die Wasserqualität optimal beeinflußt, die entstehende Abluft mög­ lichst ozonarm ist und nur geringe Restozonmengen vernichtet werden müssen.

Der zeitliche Ablauf der Schlammpressungen ist in der Weise auf die Ozon/(UV)- Behandlung abzustimmen, daß das Pressenfiltrat aller einzelnen Pressungen mit kon­ tinuierlichem Volumenstrom durch die Oxidations- und Bestrahlungsreaktoren strömt.

Durch diese Vergleichmäßigung des Filtratstroms soll erreicht werden, daß die Ozonanlage und die UV-Bestrahlungskammer sowie die Filtratpumpe nur einmal täg­ lich eingeschaltet werden müssen und mit konstanter Leistung betrieben werden kön­ nen. Durch mehrmaliges Ein- und Ausschalten entstünden sonst zusätzliche Aufwärm- und Anlaufphasen, die zu einer Herabsetzung der Lebensdauer der Geräte und zu ei­ nem zusätzlichen Arbeitsaufwand führen würden.

Zur Minimierung der vom Bedienpersonal auszuführenden Tätigkeiten sollte nur die erste Pressenfiltratbehandlung durch Einschalten der Exzenterschneckenpumpe und der Kammerfilterpressen eingeleitet werden. Bevor das Filtrat gefördert wird, müssen die Ozonproduktion und die UV-Strahler auf die richtige Leistung eingestellt und "warmgelaufen" sein. Alle weiteren Vorgänge können automatisiert erfolgen.

Zur Optimierung des Oxidationsprozesses sind Versuchsreihen mit Wasserproben im Labor, während der Inbetriebnahmephase und während des regulären Anlagenbetrie­ bes erforderlich.

Reststoffentsorgung

Der Filterkuchen aus den Kammerfilterpressen verbleibt als einziger von der Anlage zu emittierender Reststoff. Der Trockensubstanzgehalt gepreßter Filterkuchen beträgt ca. 20-50 Gew.-% je nach Entwässerbarkeit. Je nach Zusammensetzung ist eine Nutzung des Filterkuchens z. B. in der Landwirtschaft oder der Ziegelindustrie möglich.

Quellenverzeichnis

1/1 CSONTOS, TUSCH (1993):
Entwurfs- und Genehmigungsplanung zur Sanierung der Nitratbelastung im Unterstrom des Frankfurter Flughafens
Unveröffentlichtes Gutachten des "Geohydrologischen und Ingenieurbüros Prof. Dr. Hans Schneider & Partner", Bielefeld, im Auftrag der Flughafen Frankfurt Main AG

Bezugszeichenliste

Fig. 1.1:
2 Filteranlage
3 Spülwasserbereitstellung
3a Spülwasservorlagebehälter
3b Spülwasserpumpeinrichtung
4 Spülabwasserauffangbecken
4a Auffang- und Absetzbecken
4b Schlammpumpen
4c bedarfsweise Flockungshilfsstoffdosierung
Fig. 2.1:
1 Flockung/Fällung/Sedimentation (Flotation)
1a Flockung und Fällung
1b Feststoffabtrennung (Sedimentation)
1c Klarwasserabzug
1d Schlammabzug
2 Filteranlage
3 Spülwasserbereitstellung
3a Spülwasservorlagebehälter
3b Spülwasserpumpeinrichtung
4 Spülabwasserauffangbehälter
4a Auffang- und Absetzbehälter
4b Rückführpumpen
Fig. 1.2 und 2.2:
5 Schlammkonditionierung
5a Schlammstapelbehälter
5b Niederdruckpumpe
5c Hochdruckpumpe
5d Kammerfilterpressen
5e Kalksuspensionsbehälter
6 Filtratspeicherung
6a Filtratvorlage
6b Filtratpumpen
7 Oxidative Filtrataufbereitung
7a Ozoninjektor im Bypass
7b Reaktions- und Entgasungskammer
7c Restozonvernichtung im Abgas
7d Gastrocknung
7e Ozongenerator
7f Restozonvernichtung im Rückführgas
7g Sauerstofftank
8 UV-Anlage

Claims (2)

1. Kreislaufführung von Abwässern aus der Trink- und Abwasseraufbereitung mit oxidativer Aufbereitung der von schlammhaltigen Begleitstoffen befreiten Abwasserströme aus physikalisch-chemischen Trennprozessen (Flockung/Fällung/ Sedimentation bzw. Flotation) und gleichzeitiger oxidativer Aufbereitung der von schlammhaltigen Begleitstoffen befreiten Filterspülabwässer mit dem Zweck, die Abwasserabgabemengen bis auf eine eingedickte Feststofffraktion zu minimieren, wobei das Filtrat aus Kammerfilter- oder Strangfilterpressen der physikalisch-chemischen Trennstufe oxidativ behandelt und nach Vermischen mit dem Filterspülabwasser vor die physikalisch-chemische Trennstufe zurückgeführt wird.

2. allein das Filterrückspülwasser aus der Filterspülung ohne vorhergehende physikalisch-chemische Feststoffabtrennung mittels Sedimentation, unterstützt durch Flockungsshilfsstoffzugabe, von den Feststoffen befreit wird; die Klarphase soll vor die Filtrationsstufe in den Aufbereitungsprozeß zurückgeführt werden, der Dünnschlamm wird, wie oben dargestellt, durch eine Kammerfilter-/Strangpresse entwässert und das Filtrat wird nach oxidativer Behandlung ebenfalls vor die Stufe der Flockung und Fällung zurückgeführt.